Jak vypadá současný stav GPS a na co se můžeme těšit v nejbližších letech

Každé malé dítě ví, co je to GPS. Je to ten puntík v mapě na mobilu, který právě teď říká, kde se přesně nachází ta lavička, na které sedím a čtu Živě.cz. Spojení GPS se jednoduše stalo obecnou zkratkou a synonymem jakéhokoliv globálního navigačního satelitního systému, ať už ho provozuje kdokoliv, protože je to prostě kratší a libozvučnější než GNSS.

Satelitní poziční systémy: GPS, Galileo a řada dalších, o kterých se moc neví

Většina malých dětí zároveň tuší, že GPS provozují Spojené státy americké a některé z nich možná i to, že plody tohoto globálního pozičního systému můžeme využívat všichni od Velké Heleďsebe po Tsabong díky rozhodnutí Billa Clintona z 1. května roku 2000.

Američané do té doby uměle snižovali kvalitu civilního GPS signálu (tzv. Selective Availability), aby nemohl systém zneužít potenciální nepřítel. Státy se však zároveň už od 90. let pomalu domlouvaly na vzájemné interoperabilitě svých budoucích družicových systémů, a tak bylo více než zřejmé, že podobná omezení nemají výhledově žádný smysl.

GPS se otevřel a ovládl svět

USA se Clintonovo rozhodnutí vyplatilo a hlavně zaplatilo, demokratizace GPS totiž dala zelenou fabrikám, které tak mohly začít vyrábět navigační přijímače všeho druhu pro nový a vskutku obrovský trh, který v prvních letech po uvolnění ovládaly zejména americké firmy.

Populární turistická řada Garmin eTrex z počátku století. Cena se pohybovala okolo 10 000 korun a přijímač hledal po startu první polohu celou věčnost.

Širší svět se dozvěděl o existenci jakéhosi Garminu, Magellanu a dalších, kteří na trh vtrhli s plastovými krabičkami, jenž po minutě čekání zobrazily na displeji geografické souřadnice. A to vše dokázaly za směšných 10-20 tisíc korun!

Konec monopolu

Americký systém GPS byl faktickým tržním monopolem ještě několik dalších let, nicméně o slovo se už pomalu hlásili další hráči: ruský GLONASS, čínské BeiDou a nakonec i evropské Galileo. Tito tři dnes společně s GPS tvoří velkou globální čtyřku, a pokud v kapse nenosíte zrovna muzejní exponát chytrého telefonu, pravděpodobně obsahuje lokalizační čip, který podporuje všechny tyto čtyři systémy (a často ještě japonský regionální QZSS).

Podpora různých satelitních systémů na koncových přijímačích

Pokud vyrazíte na houby a uprostřed lesa narazíte na palouček plný václavek, na mobilu si už dávno neukládáte GPS polohu tohoto pokladu, ale terminologicky-korektně geografickou polohu. Odhadl ji totiž nejen americký systém GPS, ale možná také GLONASS, BeiDou nebo Galileo.

Čím více sytému, tím lépe

Samotný přijímač GNSS v nitru telefonu může vypočítat finální polohu hned několika způsoby. Mohl by zvolit jen ten nejčistší signál, který byl momentálně nejméně rušený okolím a ionosférou.

Stejně tak by ale mohl všechny získané geografické polohy zprůměrovat, anebo, a v tom tkví nejspíše budoucnost družicových systémů, díky vzájemné kompatibilitě signálů, o kterou se státy pokoušejí už déle než dvě desetiletí, bude přijímač pohlížet na signály z GPS, Galilea a dalších jako na signály z jednoho jediného propojeného celku, a polohu tak odhadne, jako by bylo v dosahu i několik desítek družic.

Stav družicových systémů v roce 2020

Evropská agentura GSA, která sídlí v Praze a zastřešuje naše kontinentální navigační družicové systémy, publikuje průběžné zprávy o stavu navigačních technologií. Nedávno jsme se dočkali čerstvého vydání GNSS User Technology Report (PDF).

Je to poměrně hutné čtení o 108 stranách a s hromadou grafů, které takto na jedné hromadě a s patřičným kontextem najdete jen málokde.

Velká čtyřka se co do počtu provozních družic pomalu srovnává. Americký GPS už dávno nevládne – snad jen na starších přijímačích bez podpory dalších systémů.

Nejlépe aktuální situaci ilustruje pohled na graf funkčních družic všech globálních hráčů. Zatímco zkraje století to byl pouze americký systém GPS a ruský GLONASS, v posledním desetiletí je patrný nástup našeho Galilea a konečně i čínského BeiDou.

Galileo by mělo být hotové v roce 2021

Družicové navigační systémy přitom nejsou žádnou konstantou, ale živou technologií, která se neustále modernizuje. Mluvíme-li tedy o GPS, nemáme rozhodně na myslí GPS z dob Clintonovy administrativy, ale to současné – tedy výstavbu třetí generace GPS III, která započala v roce 2018.

Čím více signálů družice vysílají, tím lépe mohou odhadnout polohu i koncová zařízení

GPS v tuto chvíli v civilním sektoru vysílá hned několik různých signálů od nejčerstvějšího L1C (ve výstavbě), který je téměř identický se signálem Galilea E1, ale zároveň starší L1, L2 a novější L2C a L5. Galileo je na tom podobně a vedle E1 nabízí ještě signály E5 a pro komerční službu pak E6. Více frekvencí postupně přidávají také GLONASS a BeiDou.

První generace našeho Galilea pomalu finišuje a příští rok, pokud situaci ještě nezmění koronavirus, by se měla na oběžnou dráhu dostat poslední várka družic. Galileo tím ale nekončí – začne výstavba nové generace, která se zaměří na další aplikace, využití v integrovaných záchranných systémech, autonomních technologiích řízení atp.

Čím více signálů, tím lepší odhad polohy

Uf, to je zkratek. K čemu jsou ta éčka a elka to běžnému smrtelníkovi dobré? Čím více provozovatelů a čím více paralelních signálů, které vlastně dělají zhruba to samé, ale vysílají na různých frekvencích, tím vyšší pravděpodobnost, že ta vaše krabička dokáže vypočítat polohu, i když budete v tom nejhlubším údolí v Česku. Na dosah totiž bude vždy alespoň pár satelitů.

Satelitní navigační systémy vysílají své signály v pásmu L (1-2 GHz)

Různé frekvence zároveň různým způsobem reagují na rušení. První překážkou je už ionosféra – svrchní vrstva atmosféry plná nabitých částic, kterou musí signál projít pokud možno bez úhony. Když by náš přijímač pracoval jen s jedním kmitočtem, nemusí poznat, že jej ionosféra poškodila, což se projeví odchylkou třeba i v desítkách metrů.

Přijímače pomalu začínají podporovat příjem hned z několika signálů. Samozřejmost by to měla být u všech nových telefonů přinejmenším střední třídy.

Když však bude přijímač podporovat vícero kmitočtů, může oba signály porovnat, zjistit, že jeden z nich ionosféra poškodila, a použít ten druhý, který díky odlišné frekvenci lépe prošel překážkou.

Různé signály také různě reagují na odrazy – třeba zástavbu, vysokou vegetaci, reliéf, může je různým způsobem ovlivňovat aktuální stav počasí a tak dále, čili i zde platí, že čím více signálů dorazí, tím lépe si z nich čip přijímače GNSS vybere ten vhodný.

Příjem různých signálů na novém úsporném GNSS čipu Sony CXD5610GF

Nové telefony už používají čipy, které mohou přijímat různé signály

Současné mobilní telefony jsou už vybavené přijímači, které toto všechno umí. Prakticky každý nový telefon, který se na trhu objevil v posledních dvou letech, by už měl také přijímat Galileo. Ty novější pak zároveň pracují i s alternativními signály L5/E5. U sportovních hodinek je situace složitější.

Opět výstup z aplikace GPSTest a ověření, že telefon umí v případě Galilea přijímat jak signál E1, tak signál E5a a v tomto případě je oba použil (písmeno U – Used).

Například takový Garmin kvůli co nejvyšší úspoře energie preferuje cestu ručního výběru. Geografickou polohu tedy ve výchozím stavu počítá z GPS a alternativní satelitní systém musíte aktivovat až dodatečně. Sice se zvýší kvalita odhadu polohy, ale přirozeně za cenu možná o něco menší výdrže na baterii.

Některá zařízení umožňují nastavit, jaké satelitní systémy se mají použít. Je to otázka kompromisu mezi spotřebou elektrické energie a přesností výpočtu.

Aby to bylo krapet složitější, ještě je tu SBAS

Tradiční satelitní navigační systémy doplňuje síť korekčních družic SBAS – Satellite-Based Augmentation Systems, která na základě aktuálních atmosférických a místních podmínek a s pomocí referenčních geodetických stanic s velmi přesně změřenou geografickou polohou vysílají skrze družice korekční signál, který ten základní může opravit.

Nad Severní Amerikou opravuje signál technologie WAAS, nad Evropou pak EGNOS. Oba systémy byly klíčové zejména v začátcích, kdy naše přijímače nepracovaly s více signály. Museli jsme se spokojit s několika málo družicemi v dosahu, no a když jsme měli zejména v otevřené krajině štěstí a chytli i signál z družice SBAS, kvalita výpočtu polohy poskočila mnohdy i o několik metrů. Rázem jsme byli opět v jízdním pruhu dálnice D1 a ne kdesi opodál v kukuřičném poli.

SBAS čeká modernizace a rozšíření na většinu planety

Mohlo by se zdát, že význam SBAS už dnes není takový jako dříve, ale opak je pravdou. Máme sice více signálů, takže si může přijímač vybírat, ale ze stejného důvodu můžeme na orbity vysílat další a další SBAS družice, které budou vysílat korekce pro každou z těchto frekvencí.

WAAS a EGNOS tu jsou už roky, v příštích letech ale přibydou další korekční systémy

Nad Evropou by se v tomto směru měla situace rapidně zlepšit od roku 2025, kdy by již měl být v provozu EGNOS v3, který bude lokálně opravovat signály Galileo E1/E5a a zároveň GPS L1/L5.

Když tedy tou dobou chytnete namísto koronaviru právě tuto družici, mělo by se to projevit stabilnějším a přesnějším odhadem polohy bez šumu, což je klíčové pro nejrůznější navigační aplikace zítřka počínaje autonomní dopravou, drony a lepšími službami pro IZS a konče kvalitnějším zaměřením onoho tajného paloučku plného václavek kdesi uprostřed říjnového lesa.

Tržní priority

Doposud jsme se bavili o technických možnostech jednotlivých systémů, otázkou ale je, co dnes skutečně žádá trh. I na to se zpráva GSA zaměřuje a shrnuje priority současného komerčního světa.

Přesnost totiž zdaleka není jediným měřítkem. A paradoxně dnes už ani tím nejdůležitějším. Stručně řečeno, když vyrazíte na výlet, nepotřebujete přesnost v řádu jednotek centimetrů nebo ještě méně jako u profesionálních geodetických stanic. Naopak je pro vás důležité, aby se telefon nevybil, než dojdete do cíle.

Priority výrobců koncových zařízení/přijímačů GNSS

Proto je dnes u spotřební elektroniky mnohem vyšší prioritou právě spotřeba na úkor venkovní přesnosti. Jinak je tomu ale u té vnitřní. Zatímco můj stařičký eTrex Legend měl před 15+ lety občas problém i za čelním sklem automobilu, současný mobil zpravidla zachytí signál z družice, i když bude v běžné místnosti pár metrů od oken.

Shrnuto a podtrženo, nejvyšší prioritu u výrobců koncových zařízení dnes mají podle GSA dostupnost služby jako takové, nízká spotřeba, prostupnost do interiérů a konečně také TTFF, tedy Time-To-First-Fix. 

Zatímco první turistické přijímače z přelomu století čekaly na první fix i minutu, dnešní mobil připojený k internetu, odkud si může stahovat pomocná data, to dokáže v řádu jednotek sekund.

A právě tímto směrem se bude takové to domácí GPS udávat i v následujících letech.